李永鎮(zhèn) 蔡明明

廣東美的制冷設(shè)備有限公司 廣東佛山 528311

0 引言

風(fēng)管機(jī)安裝方式多樣化，安裝后可“隱藏”在房間墻體內(nèi)，美觀時(shí)尚。且機(jī)組配置多樣，可以“一拖一”“一拖多”，是戶式中央空調(diào)的一種主要系統(tǒng)[1]。但是由于風(fēng)管機(jī)嵌入裝修墻內(nèi)，加上出風(fēng)口位置距離地面較高，制熱時(shí)熱風(fēng)很難吹到地面，造成臥室房間舒適性差，因此臥室用風(fēng)管機(jī)制熱舒適性問(wèn)題亟需解決。

為了解決制熱舒適性問(wèn)題，有學(xué)者從出風(fēng)參數(shù)、風(fēng)口尺寸以及風(fēng)口導(dǎo)風(fēng)葉片數(shù)量等方面進(jìn)行了研究，得出當(dāng)出風(fēng)風(fēng)速保持在4 m/s以上，可以達(dá)到較好的制熱舒適性[2]。為了保證出風(fēng)口風(fēng)速，適應(yīng)不同的風(fēng)管機(jī)安裝要求和回風(fēng)口過(guò)濾網(wǎng)灰塵等影響，可以采用恒風(fēng)量控制方式[3]。

然而，風(fēng)管機(jī)的制熱舒適性是由多因素決定的，不僅受出風(fēng)風(fēng)速的影響，還應(yīng)考慮出風(fēng)口位置、導(dǎo)風(fēng)板角度和電輔熱等常規(guī)設(shè)計(jì)因素。本文通過(guò)在模擬實(shí)驗(yàn)室，對(duì)影響風(fēng)管機(jī)制熱舒適性的多個(gè)因素進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)及分析，得出了影響風(fēng)管機(jī)制熱舒適性的關(guān)鍵因子，并根據(jù)關(guān)鍵因素提出了合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1 模擬實(shí)驗(yàn)室建立

1.1 房間要求

本研究依據(jù)GB/T 33658-2017《室內(nèi)人體熱舒適環(huán)境要求與評(píng)價(jià)方法》建設(shè)模擬環(huán)境實(shí)驗(yàn)室，在水平的寬度方向，以?xún)?nèi)室寬度的軸心線為中心每隔0.5 m距離布置一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，寬度方向布置9排測(cè)溫點(diǎn)；在水平的長(zhǎng)度方向，用與水平的寬度方向同樣的方式布置測(cè)溫點(diǎn)。墻面附近的非測(cè)試區(qū)域內(nèi)不布置測(cè)溫點(diǎn)。在垂直方向，從地面至天花板按照一定間隔的距離布置測(cè)溫點(diǎn)，本文選取距離地面高度0.1 m、1.2 m和1.7 m溫度點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，分別代表腳踝、坐姿和站姿高度。

實(shí)驗(yàn)應(yīng)在圖1所示的模擬環(huán)境實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行；其由外套和內(nèi)套兩部分組成，內(nèi)套為普通用戶住房，磚墻結(jié)構(gòu)，外套為保溫庫(kù)板，溫度可調(diào)；空調(diào)器模擬實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)度為4.82 m、寬度為3.28 m、高度為2.8 m，地面使用面積為15.8 m2。

圖1 模擬實(shí)驗(yàn)室溫度點(diǎn)布置示意圖

1.2 活動(dòng)區(qū)域與溫度點(diǎn)布置

在矩形活動(dòng)區(qū)域里，用T型熱電偶在活動(dòng)區(qū)域水平面上均勻布置A、B、C、D、E、F、G、H、I等N個(gè)（N≥9）溫度點(diǎn)，在環(huán)境實(shí)驗(yàn)室每點(diǎn)對(duì)應(yīng)的垂直線上均勻布置3個(gè)溫度點(diǎn)（離地面0.1 m、1.2 m、1.7 m），依次為A（1-3）、B（1-3）、C（1-3）、D（1-3）、E（1-3）、F（1-3）、G（1-3）、H（1-3）、I（1-3）。如圖1所示，圖1僅示意熱電偶水平和垂直方向布置結(jié)構(gòu)。

1.3 室內(nèi)安裝位置要求

風(fēng)管機(jī)空調(diào)器室內(nèi)機(jī)裝吊于距離地面2.3 m位置上（空調(diào)器下沿距離地面高度）。室內(nèi)外連接管長(zhǎng)為5 m[4]。

1.4 制熱舒適性實(shí)驗(yàn)工況要求

室外工況：干球溫度-5℃、相對(duì)濕度60%；

初始室內(nèi)工況：干球溫度0℃、相對(duì)濕度50%。

工況允許溫度偏差不得超過(guò)GB/T 7725-2004《房間空氣調(diào)節(jié)器》允許的偏差（干球溫度±0.3℃，濕球溫度±0.2℃，相對(duì)濕度±5%）。

2 風(fēng)管機(jī)制熱舒適性模擬實(shí)驗(yàn)

風(fēng)管機(jī)主要由進(jìn)風(fēng)口、換熱器、風(fēng)輪風(fēng)道和出風(fēng)口組成，為了提升空調(diào)器美觀和制冷/制熱舒適性，風(fēng)管機(jī)還增加有出風(fēng)面板、電輔熱和回風(fēng)面板等輔助部件。本文選取了對(duì)制熱舒適性有較大影響的因素進(jìn)行分析，包括出風(fēng)口位置、電輔熱、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速（控制風(fēng)量大?。┖婉詈铣鲲L(fēng)角度及風(fēng)量。

2.1 原方案與方案一：不同出風(fēng)口位置模擬實(shí)驗(yàn)

風(fēng)管機(jī)的出風(fēng)口安裝方式是靈活的，通過(guò)外加風(fēng)管，可以把出風(fēng)口設(shè)置在底部，也可以設(shè)置在側(cè)面。由于市面上側(cè)面出風(fēng)方案較多，本文將側(cè)面出風(fēng)方案定義為原方案，底部出風(fēng)方案定義為方案一。設(shè)置在側(cè)面時(shí)，出風(fēng)口的出風(fēng)風(fēng)向是平行于地面出風(fēng)；設(shè)置在底部時(shí)，風(fēng)管機(jī)向下出風(fēng)，即吹向地面。本文選用一款熱泵型變頻風(fēng)管機(jī)，其名義制冷量為3500 W，額定制熱量為4200 W。在房間初始溫度相同的情況下，用該風(fēng)管機(jī)對(duì)側(cè)面出風(fēng)和底部出風(fēng)時(shí)的房間溫度分布進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如表1和表2所示。表中“距地面0.1 m平均溫度”表示房間內(nèi)距離地面0.1 m高度水平面上所有溫度點(diǎn)的平均值，故此房間共有3個(gè)水平面：0.1 m、1.2 m和1.7 m，“房間總體平均溫度”則指房間內(nèi)所有溫度點(diǎn)的平均值。

表1 側(cè)面出風(fēng)溫度表

表2 底部出風(fēng)溫度表

通過(guò)表1與表2的數(shù)據(jù)可以看出，在溫度的絕對(duì)值上，除了在距地面1.7 m處的位置，其余高度位置處的溫度均是底面出風(fēng)優(yōu)于側(cè)面出風(fēng)；在溫度分層的均勻性上，底部出風(fēng)要明顯優(yōu)于側(cè)面出風(fēng)。造成以上現(xiàn)象的原因是，熱空氣質(zhì)量較輕，自然狀態(tài)下會(huì)上升，若不強(qiáng)加干預(yù)出風(fēng)方向，熱量熱空氣將集中在較高位置，這會(huì)導(dǎo)致地面上人員活動(dòng)區(qū)域溫度較低[5]，房間活動(dòng)人員的熱舒適性差。

2.2 方案二：側(cè)出風(fēng)開(kāi)電輔熱模擬實(shí)驗(yàn)

為了探究電輔熱方式對(duì)側(cè)出風(fēng)方式下房間溫度分布的改善，本研究在側(cè)面出風(fēng)空調(diào)器上增加功率為1000 W的電輔熱，測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 側(cè)面出風(fēng)-開(kāi)電輔熱溫度表

通過(guò)與表1所示的側(cè)面出風(fēng)數(shù)據(jù)對(duì)比，增加1000 W的電輔熱后，頂部溫度上升明顯，但對(duì)底部溫度的改善甚微，整體房間平均溫度在60 min時(shí)僅增加0.9℃。由此可見(jiàn)，增加電輔熱對(duì)改善制熱舒適性非常有限，且增加電輔熱大大降低了空調(diào)整體的制熱能效，不宜采取。

2.3 方案三：側(cè)出風(fēng)增大風(fēng)量模擬實(shí)驗(yàn)

為了探究風(fēng)管機(jī)出風(fēng)量對(duì)側(cè)出風(fēng)方式下房間溫度分布的改善，本研究通過(guò)增加出風(fēng)量來(lái)改善制熱的送風(fēng)距離，目的是增加房間空氣的擾動(dòng)，增強(qiáng)熱量交換。具體實(shí)驗(yàn)方式是開(kāi)啟空調(diào)器的超強(qiáng)風(fēng)功能，使得風(fēng)量增加大約15%，測(cè)試得出數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 側(cè)面出風(fēng)-增大風(fēng)量溫度表

通過(guò)與表1所示的側(cè)面出風(fēng)數(shù)據(jù)對(duì)比，增大15%的風(fēng)量后，頂部溫度和底部溫度有微弱提升，整體房間平均溫度在60 min時(shí)增加0.7℃。該結(jié)果說(shuō)明，雖然增大風(fēng)量可以增強(qiáng)整體房間空氣的熱量交換，但對(duì)改善頂層溫度和底層溫度的溫差并不理想。

2.4 方案四：耦合出風(fēng)角度及風(fēng)量模擬實(shí)驗(yàn)

為了探究不同出風(fēng)角度對(duì)側(cè)出風(fēng)方式在房間溫度分布的改善，本研究對(duì)側(cè)出風(fēng)方式進(jìn)行了耦合出風(fēng)角度及風(fēng)量測(cè)試。

經(jīng)過(guò)多組角度和風(fēng)量組合測(cè)試，最終發(fā)現(xiàn)在出風(fēng)角度≤30°（導(dǎo)風(fēng)板與垂直面的夾角，導(dǎo)風(fēng)板向下導(dǎo)風(fēng)）、出風(fēng)風(fēng)速≥4.2 m/s時(shí)可以獲得最好的效果。在該方式下，在開(kāi)機(jī)10～60 min內(nèi)，距地面0.1 m與1.7 m的平均溫度相差始終保持在2℃內(nèi)，房間溫度分布均勻性高，地面溫度提高了1～2℃，可以獲得較好的制熱舒適性，測(cè)試數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 側(cè)面出風(fēng)-耦合出風(fēng)角度及風(fēng)量溫度表

3 測(cè)試數(shù)據(jù)比較分析

為了橫向比較上述各種方案的效果，繪制各方案的溫度曲線圖如圖2所示，可以直觀地看出每個(gè)方案距離地面高度0.1 m、1.2 m和1.7 m的溫度層隨時(shí)間的變化情況：1.7 m層溫度越高的方案，0.1 m層反而較差，熱量分布分化嚴(yán)重，這是因?yàn)榭照{(diào)器的熱風(fēng)在房間空氣流體內(nèi)，熱量自然向上漂浮，隨著熱風(fēng)吹出的距離越遠(yuǎn)，風(fēng)速越小，直至降為0 m/s，底部空氣如果沒(méi)有熱風(fēng)直接吹到，只有較小的空氣自然對(duì)流換熱，溫度上升緩慢。通過(guò)方案三可以看出，增大風(fēng)量增大了房間內(nèi)空氣對(duì)流和換熱，同時(shí)也增加了熱風(fēng)送風(fēng)距離，對(duì)整體房間溫度的提升與增加1000 W電輔熱方案時(shí)幾乎相當(dāng)，對(duì)底部層溫度的提升也有一定的效果，但不顯著。

圖2 各方案溫度曲線圖

方案一和方案四空調(diào)出風(fēng)口風(fēng)向距離地面相對(duì)其他方案較近，方案四通過(guò)調(diào)整送風(fēng)角度和送風(fēng)方向使得熱風(fēng)更易送達(dá)地面，這使得熱風(fēng)在從空調(diào)出風(fēng)口達(dá)到地面這段距離的熱量損失相較于方案一較少。當(dāng)熱風(fēng)達(dá)到地面，風(fēng)速減弱，熱空氣自然上升，使得房間1.7 m和0.1 m的溫度分層最小，熱舒適性較好。由此分析可得，送風(fēng)方向和送風(fēng)速度是提升底部溫度的關(guān)鍵參數(shù)。

4 結(jié)論

本研究在模擬實(shí)驗(yàn)室中，通過(guò)改變風(fēng)管機(jī)出風(fēng)口方向、增加電輔熱、增大風(fēng)量和耦合出風(fēng)角度與風(fēng)量，闡明了影響風(fēng)管機(jī)制熱舒適性的關(guān)鍵影響因素，得到了風(fēng)管機(jī)制熱舒適性提升的最佳改進(jìn)方案。相關(guān)重要結(jié)論總結(jié)如下：

（1）底部出風(fēng)方式，出風(fēng)口距離地面最近，可以將熱風(fēng)送到地面，提升底部溫度，可以獲得較好的制熱舒適性；

（2）增大風(fēng)量不能減小房間溫度分層溫差，可等量提升底部和頂部溫度；

（3）增加電輔熱對(duì)整體房間溫度提升不明顯，且會(huì)大幅降低空調(diào)機(jī)組能效；

（4）耦合出風(fēng)角度與風(fēng)量方案是風(fēng)管機(jī)制熱舒適性改善的重要方案，該方案可以根據(jù)控制送風(fēng)角度來(lái)控制出風(fēng)口與地面距離，出風(fēng)角度控制在30°內(nèi)。而風(fēng)量根據(jù)該距離調(diào)整出風(fēng)風(fēng)速，出風(fēng)風(fēng)速控制在4.2 m/s以上，確保熱風(fēng)能夠送達(dá)地面。該方案可應(yīng)用于出風(fēng)口設(shè)置在側(cè)面的機(jī)型，而且可在一定范圍內(nèi)調(diào)整送風(fēng)范圍，進(jìn)一步滿足用戶多樣性使用。

通過(guò)本文的實(shí)測(cè)數(shù)值，對(duì)風(fēng)管機(jī)制熱舒適性的提升方式有了重要的模擬數(shù)據(jù)支撐和理論分析，減少風(fēng)管機(jī)制熱設(shè)計(jì)問(wèn)題，為用戶提供更舒適的風(fēng)管機(jī)產(chǎn)品。